CN100534062C - 多用户分集转发 - Google Patents

Abstract

本发明的主要方面所基于的观点是：通过调查发送节点(100)中呈示的那些目的地和/或流并通过对目的地和/或流的明智选择来选择中继方向，以此可以获得转发过程中的更高自由度。实际上，本发明提出的转发算法进行联合选择：i)在多个中继候选节点中选择中继节点；以及ii)执行至少其中之一a)在多个流中选择流和b)在多个目的地中选择目的地。发送节点然后从发送队列(110)中选择发往所选目的地和/或属于所选流的信息集合，并最后将所选信息传送到所选中继节点(200)。联合选择过程常常基于成本进度以及或许甚至是在地理距离上的转发进度。但是在选择过程中还可能将例如QoS(服务质量)方面和公平度标准纳入考虑。

Description

多用户分集转发

技术领域

本发明一般涉及通信网络，更具体地来说涉及多跳网络以及此类网络中的路由选择机制。

背景技术

用于多用户之间有效共享无线介质的协议一般体现为多址协议、信道接入方案或介质访问方案。如[1]所述，多址协议可以分成两个主要类别：无冲突协议和基于争用的协议。

无冲突协议是在任何时候确保传输成功即不受其他传输干扰的协议。无冲突传输可以通过以静态方式或动态方式对用户分配信道来实现。这常常分别表示为固定调度和动态调度。站点之间的精确协调所产生的好处在于认为这样提供了高效率，但是付出的代价是带来了复杂性和某时要交换大量控制业务。

基于争用的协议与无冲突协议的基本区别在于不保证传输是成功的。因此一旦发生冲突，该协议应该指定解决冲突的程序，从而最终成功发送所有消息。

多址协议还可以基于预先指定它们用于的场合和应用来划分。一些协议适用于往返于单个站(例如蜂窝系统中的基站)的接入，而另一些协议是针对在分布式环境中工作而设计的。就分布式情况而言的重要区别在于：是主要针对单跳情况即只与能到达的范围内的指定邻节点通信而设计该协议，还是专门针对多跳场合而设计它。

在多跳的场合中，信息可以在源和目的地之间的多个跳点(hop)上来传送，而非直接以单个跳点到位。一般来说，多跳方法较之直接单跳方法具有若干优点，如功耗较低以及信息吞吐量较高。在多跳网络中，彼此不能到达的节点可以受益于可以将其消息从源转发到目的地的位于中间的节点。多跳网络可以是所说的自组织(ad hoc)网络，其中，节点大多数是移动的并且不存在中央协调的基本结构，但是当节点固定时也可以应用多跳联网的观点。

在基于底层最短路径路由选择协议(如基于Bellman-Ford的路由选择)的现有路由选择技术中，基于通过系统传送的路由选择成本信息来确定明确的从源到目的地的多跳路由。简单地说，每个节点或站知道其向外链路的成本，并将此信息广播到每个相邻节点。这种链路成本信息通常在每个节点中的本地数据库中维护，并且，基于数据库中的信息，利用适合的路由选择算法计算路由选择表。一般来说，最短路径和相似的路由选择技术导致对应于每个源—目的地对有单个路由。非常简单的基于最短路径的路由选择方案，尽管不是最有效的，可以例如采用众所周知的ALOHA基于争用的多址协议。

现有多种基于这种概念即在带有或多或少主动路由选择的转发过程中使用多个节点的协议(它们可以使用底层最短路径协议)。例如，称为EIGRP的协议(增强的内部网关路由选择协议)[2]是路由选择协议，主要用于允许基于随机地转发到若干路由器的其中一个的固定网络中。Sylvester和Kleinrock提出的随机但转发(Random-but-forward)路由选择[3]与EIGRP相似，即随机将包转发到若干包无线电网络路由器的其中一个，但是它还包括重要的修改；确保包总是朝大致正确的方向传送。DARPA(国防先进研究项目署)提出的迂回路径(alternate path)路由选择[4]使得在链路上重发的包能够在组播到若干节点的同时被复制，由此包再遵循最短路径路由选择方法。主N/M转发[5]基于如下观点：节点尝试向节点发送包最多N次，如果失败，则尝试下一个节点至多N次。对最多M个节点重复此程序，之后才丢弃该包。迂回路径路由选择和主N/M转发的优点在于，它们可以适合局部通信状况，包括拥塞和由例如衰落或干扰波动导致的暂时性通信不佳。

系统内随时间的变化或波动可以创建机会窗口或尖峰，它们使信号传输较在其他时间和条件下更易成功。单纯的最短路径技术以及关联的现有路由选择技术无法识别这些机会窗口，因为每个节点或站未存储相关的信息。相比之下，适时路由选择[6，7]在某种程度上将系统变化和波动提供的机会加以利用。具体来说，在无线路由选择的情况下，当链路质量随时间快速变化(例如由瑞利衰落导致)时，整个系统的性能恶化。但是，适时路由选择通过利用这些波动提供的机会窗口部分地缓解了该性能劣化。利用适时路由选择，对于每个源—目的地对不只有单个路由，即与EIGRP、随机但转发相似，某种程度上还与迂回路径路由选择和主N/M转发相似。替代地，数据包沿着某种随机的路由，同时仍是从源通往到目的地。因此，当采用最短路径程序时，一般将后续包在同一个路由上发送，而当采用适时路由选择时，后续包可以在不同的路径上发送，但是方向相同。

但是，[6、7]中的通用监听是缓慢的过程。监听通过侦听旁路消息或通过偶然性地发出所说的探测信号来执行。当发出探测信号时，预计返回包含关于例如路径损耗的信息的响应。当探测与数据传输之间有延迟时，则返回的用于转发算法的输入信息可能到发送数据时变为过时。尤其不希望的结果是，现有的适时路由选择以及基于单纯最短路径的路由选择技术都无法有效地处理可能的分集效应。

选择分集转发(SDF)[8]是一种用于以接近最优方式有效处理分集效应的技术。该新颖方法以将传输从始发站导向到附近的一组接收器或中继节点为基础。当接收节点中的一个或多个应答时，选择应答节点的其中之一，并向所选中继节点发送命令消息以指令它负责转发数据消息。对所有随后的负责节点重复该过程，直到信息到达目的地。通过遵照此方法，可以在数据转发过程中同时利用分支分集和捕获效应。具体地来说，分支分集减少了对使用交织的数据以及编码以解决衰落信道的需要，这又意味着延迟减小以及因此吞吐量更高。捕获效应是指仅在相同频率上或其附近的两个信号中较强者被解调、而较弱的信号被作为噪声抑制和拒绝的现象。结合多个接收站，捕获效应在数据传输冲突时提供高度的稳健性。SDF利用缓慢的底层成本协议，但是本身允许瞬时调整以适应快速的信道波动。

在[9、10和11]中可以找到利用波动但是用于单跳的普通蜂窝网络的相似观点，其中它们分别指高速下行链路包接入(High SpeedDownlink Packet Access，HSDPA)、高数据速率(High Data Rate，HDR)和机会性聚束(Opportunistic Beamforming，OB)。HSDPA和HDR彼此非常相似。但是，从功能的角度来看，机会性聚束的不同之处在于，OB随机指向不同方向或连续在不同方向扫描天线波束，而HSDPA和HDR没有聚束的概念。具体而言，机会性聚束[11]利用机会性的观点并关于聚束利用机会性方法来增强蜂窝系统中或在基站的系统容量。但是，同样地，HSDPA、HDR和OB的概念都没有涉及多跳。OB实质是基站上考虑快速信道波动的快速调度的扩充，是针对CDMA 2000HDR和WCDMA HSDPA提出的。

发明内容

本发明克服了现有技术方案中的这些和其他缺点。

本发明的通用目的在于提出用于在多跳网络中转发信息的有效机制。

本发明的目的在于就吞吐量、延迟特性和/或功耗方面改善多跳网络的性能。

本发明的目的还在于改善网络中的服务质量(QoS)支持。

本发明的另一个目的涉及负载分布方面的改进。

本发明的具体目的在于提出一种方法和系统，用于在多跳网络中有效转发信息。

还有一个目的在于提出一种通信节点，它在包无线电多跳网络中支持信息的有效转发。

本发明的另一个目的在于提出一种控制节点，它在包无线电多跳网络中支持信息的有效转发。

这些和其他目的通过如所附专利权利要求限定的本发明来满足。

本发明的主要方面所基于的观点是，通过调查发送节点中呈示的那些目的地和/或流并通过对目的地和/或流的明智选择来选择中继方向，以此可以获得在转发过程中更高的自由度。实际上，本发明提出的转发算法进行联合选择：i)在多个中继候选节点中选择中继节点；以及ii)执行如下其中之一a)在多个流中选择流和b)在多个目的地中选择目的地。发送节点然后从发送队列中选择发往所选目的地和/或属于所选流的信息集合，并且最后将所选信息传送到所选中继节点。

由此，与只是为发送队列最前面的第一个包选择适合的中继节点的状况相比，本发明有效地实现在更多的中继节点中选择。这种增加自由度的主要原因在于不同的包或更一般来说不同的数据集合可以从发送节点沿不同的方向传送，由此使能在若干大致的转发方向上选择中继节点。选择常常基于成本进度以及或许甚至是在地理距离上的转发进度。在选择过程中还可能将QoS(服务质量)方面纳入考虑，因为例如不同的流可以具有不同的QoS要求。举例来说，可以然后使具有严格延迟要求的流的优先次序高于延迟要求较松的流。目的地和/或流之间的公平度是选择过程中可能要考虑的另一方面。总之，目的地/流的选择最终转变成从发送队列选择待发送信息。

为了进一步改进，提出联合选择目的地/流、中继节点以及的一个或多个链路参数的组合用于发送/接收数据。这意味着本发明允许为多个包在多个中继中选择，同时调整链路参数，如链路模式、频率信道或子载波、发射功率和/或天线加权值，以达到最优通信。这些链路参数一般可以从数据链路层上的DLC(数据链路控制)参数以及底层的物理PHY层参数中选择。

联合考虑不同的目的地/流、中继节点和可选地还有链路参数的选择过程通常基于表示在考虑中的发送节点与每一个中继候选节点之间链路性能的信息。因此，最好将通信分成三个或四个阶段：查询阶段、响应阶段、数据阶段和可选的确认阶段。两个初始阶段通常设计为例如通过报告期望的信噪比(SNR)或信号噪声干扰比(SINR)或备选地通过指示支持的传输速率来询问和检索与每一个中继候选节点相关的链路性能信息，如信道和传输信息。SINR包括干扰和噪声，并且因此常常是优选的。一旦完成从发送队列中选择目的地/流、中继节点和适合的数据集合并或有或无进行综合链路调整之后，则在数据阶段将数据传送到中继节点。如果需要的话，所选中继节点可以在确认阶段确认数据的接收。最好，上述三个或四个阶段在时长比信道相干时间短的时间段内执行，以便允许快速调整。也可以采用其他确认方案。例如，可以故意将确认延迟并收集在不太频繁发送的集合确认消息中(确认并非一定要在相干时间内)。

希望的是，联合选择某种意义上为最优的目的地/流、中继节点和可选的链路参数。为了能够以明确的方式讨论最优性，最好引入基于质量成本进度或信息成本进度的目标函数，并关于目的地/流、中继节点和可选的链路参数进行优化。例如，上述方案允许针对瞬时SNR/SINR状况来定义和优化目标函数，例如以实现吞吐量的最大化和延迟的最小化。

如果对于某个(些)目的地支持多个流，则选择可以是流和目的地的组合。如果目的地而不是流被用作优化变量，则选择结果将包括所选中继节点和目的地。但是，可以有若干至所选目的地的流，并且因此关于要选择哪个流仍是未决问题。当然，可以例如基于QoS要求或甚至是随机地在这些流中执行另外的、单独的选择。但是，采用流作为优化变量，可以将QoS方面直接集成到联合优化过程中，从而可以同时从目的地方向的角度和QoS的角度来选择最优的流。

应该理解的是，联合选择过程可以直接由考虑中的发送节点来执行，或由负责一个或多个发送节点的关联控制节点来执行。

在优选实现中，发送节点将查询消息传送到网络中的多个中继候选节点。这些中继候选节点可以例如基于从底层路由确定协议获得的多跳成本信息、可能连同附加信息来选择。每个中继候选节点则响应查询消息(假定它被接收到)对发送节点本身或负责发送节点的控制节点以响应消息应答。然后联合选择过程由发送节点本身或由控制节点基于来自中继候选节点的响应消息来执行。最好，每个中继候选节点基于接收到的查询消息确定在发送节点与中继候选节点之间的相应链路的链路性能表示信息，并以此链路性能信息应答。备选地，假定链路互易(以及在中继节点上具有某些噪声加干扰的特性的概念)，发送节点本身基于从候选节点接收到的响应消息来确定链路性能信息。

在完全集中式体系结构中，成本信息、关于各个发送节点中呈示的那些目的地/流的信息以及相关链路性能信息被传送到中央控制节点，然后中央控制节点可以执行针对多跳网络中的每个发送节点的目的地/流、中继节点和可选的链路参数的选择。显然，中央控制节点需要将关于所选目的地/流和中继节点及可选的链路参数的信息传递到各个发送节点。

通常，多跳网络中的发送节点或至少发送节点的子集操作用于查询消息的时间同步传输以及数据的时间同步传输。还重要的是，查询响应阶段期间报告的SNR/SINR或其他链路性能指示在整个数据阶段上保持不变(或有所改善)。

因此，每个查询消息最好利用一个或多个预定发送参数(例如发射功率电平和/或天线加权值)来发送。在随后的数据阶段，则通常重复使用基本相同的一个或多个发送参数来发送所选数据。这样，SNR/SINR可以在例如某个节点决定不发送的情况下得到改善，而一般不会恶化。

已经认识到，本发明还可以与接收器一方上的多用户检测组合并适于处理在接收器一方上的多用户检测。既然这样，从多个发送节点接收查询消息的接收节点一般确定链路性能信息，例如每个链路的SNR/SINR或速率信息。在一个实践可行的实施方式中，接收节点只应答与高性能链路关联的节点。

本发明具有如下优点：

·有效的多跳转发；

·提升网络性能；

·增加吞吐量和/或降低延迟；

·可能承载更高业务负载同时将性能标准如吞吐量和延迟保持在恒定的水平上；

·就与其他方案相同的性能等级而言，降低功耗；

·通过联合选择中继节点、目的地/流和可能还有链路参数来使能提高自由度；

·具体来说，提高自由度导致在相对较大数量的潜在中继或转发节点中进行选择；

·只要包括QoS方面，可以预计通过增加自由度改进QoS性能以执行QoS的优先次序排列；

·降低拥塞和缓冲器溢出的风险；

·改善流控制；以及

·高成本进度。

通过阅读以下对本发明实施例的描述将了解本发明所具有的其他优点。

附图说明

参考附图及以下描述，将很好地理解本发明及其更多的目的和优点。

图1以示意图说明根据本发明优选实施例的示范四阶段通信方案；

图2以示意图说明根据本发明优选实施例的多跳网络中四阶段的方案且同步传输时隙的实例；

图3A-B以示意流程图说明根据本发明优选实施例分别用于发送器一方和接收器一方上的示范转发方法；

图4A说明根据现有技术选择中继节点；

图4B说明根据本发明示范实施例选择目的地/流和中继节点；

图5以示意图说明在不同发射功率电平时不同的信息转发进度曲线；

图6以示意图说明信息转发进度上的分集获益；

图7以示意框图说明根据本发明示范实施例的发送器一方上的相关部件；

图8以示意框图说明根据本发明示范实施例的接收器一方上的相关部件；以及

图9说明负责一个或多个发送节点的选择过程的控制节点的信息流。

具体实施方式

所有这些附图中，相同的引用符号表示相应的或相似的功能部件。

本发明涉及多跳网络如包无线电多跳网络，更具体地来说涉及用于多跳网络的创新转发方案，称为多用户分集转发(表示为MDF)。

本发明提出的MDF方案可以与任何底层路由确定协议(如生成路由选择成本表的最短路径协议或更加针对分集转发定制的路由确定协议)。自然，本发明可以设置为与其他网络有关的功能如拓扑控制机制相关联。

本发明提出的多用户分集转发(MDF)方案集成了三个最低协议层中至少两层的相关方面。通常，这三个层指OSI(开放式系统互连)模型并包括物理层、链路层和网络层。

在核心，我们发现一种转发算法，它调查发送节点中呈示的那些目的地/流以及通过目的地/流的明智选择来选择中继方向。该转发算法进行联合选择：i)在多个中继候选节点中选择中继节点；以及ii)根据优化中希望的灵活度和应用执行至少如下其中之一：a)在多个目的地中选择目的地以及b)在多个流中选择流，最好配合iii)选择一个或多个链路参数。与此结合，基于所选目的地和/或流从发送队列中选择用于传输的信息集合(如数据包)。这可以是发往所选目的地的信息集合和/或属于所选流的信息集合。最终将所选数据传送到所选中继节点，所选中继节点负责进一步在多跳网络上转发该数据(除非该节点就是目的地)。自然，如果所选候选节点是目的地节点，则目的地节点不再转发该信息。因此在本发明非常详细的阐述中，本发明允许为多个包在多个中继中选择，同时调整链路参数以实现最优通信。

现在将以实例的形式说明本发明。除了关于发送节点中呈示的那些流和/或目的地的信息以及来自底层路由/成本确定协议的成本信息外，选择过程通常基于表示在考虑中的发送节点和每一个中继候选节点之间链路性能的信息。因此，最好将通信分成三个或四个阶段：查询阶段、响应阶段、数据阶段和可选的确认阶段，如图1和2示意性所示。

上述三个或四个阶段最好在时隙或其它比信道相干时间短的时长内进行，并且这些时隙彼此相继重复。要注意这些阶段可以选择性地排序以包括除单个时隙的其它方案。但是，在此情况中，至少第一阶段和第三阶段最好应该经历稳定的信道(即在信道的相干时间内)和相同(或非常相似)的干扰状况。然而，下文的重点将放在时隙内的四阶段协议上，但是不局限于此。

两个初始阶段通常设计为例如通过报告期望的SNR/SINR或备选地通过指示支持的传输速率等方式来询问和检索与每一个中继候选节点相关的链路性能信息，如信道和传输信息。一旦选择了目的地/流、中继节点和来自发送队列的适合的信息集合且或有或无进行综合链路调整之后，则在数据阶段将该信息传送到中继节点。如果采用链路调整，则在传输数据之前基于报告的SNR/SINR或速率来选择适合的链路模式和/或其他链路参数。如果需要的话，所选中继节点可以在可选的确认阶段确认数据的接收。替代报告SNR/SINR的是，备选地可以直接报告最优速率(链路模式)，如前所述。

图2说明涉及多个发送节点和多个潜在的接收节点的四阶段方案的实例。图示的方案用于多个发送节点TX₁至TX_N，其中每个发送节点向多个潜在的接收节点发送查询消息。为简明起见，图2中只示出针对发送节点TX₁的接收节点RX_1，1、RX_1，2和RX_1，3。每个接收节点估算SNR/SINR并将估算的SNR/SINR报告给相应的发送节点，发送节点然后选择目的地/流、中继节点和可选链路模式的组合用于向所选中继节点传输数据。基于所选目的地/流，发送节点从发送队列中提取信息集合，并最终在数据阶段发送数据。

为了确保在查询阶段和后续的数据阶段期间干扰条件都基本相同，发送节点最好应该以时间同步的方式发送它们的帧，以及应该在这两个阶段期间采用基本相同的发射功率电平和/或天线加权值。如图2所示，发送节点TX₁至TX_N以时间上对齐时隙的方式发送它们的帧。这提供了查询阶段与数据阶段之间相关的基础。此外，最初确定一个或多个发送参数(如发射功率电平和/或天线加权值)，并在查询阶段和数据阶段都使用这些发送参数，由此在查询响应阶段期间报告的SNR/SINR将在整个数据阶段上保持相同(或有所改善)。

例如，如果多跳网络中的节点TX_i决定在时隙n上发送，则它可以选择发射功率P_i用于随后的数据传输。根据选择，可以允许或可以不允许该发射功率P_i对应于不同的传输而改变(其中不改变的情况视为改变情况的特殊情况)。例如，P_i可以且最好应该反映拓扑的变化，并根据发送缓冲器的内容、先前失败的传输和/或QoS等因素而定。还可能允许某些节点采用低功率方法或备选地采用高功率方法，具体取决于：对于所涉及的节点来说，功耗还是性能才是最实质的因素。此外，还可以选择除发射功率的其他发送参数，如天线加权值，从而可以定位到某些潜在的中继节点集合。关于潜在中继节点的信息可以根据早期得到的拓扑信息来得到，但是也可以受发送缓冲器的内容、先前失败的传输和QoS等因素的影响。发送决策要求包在发送缓冲器中等待，而且还可以取决于所采用的介质访问原理，例如带有随机抽取的发送实例(instance)的时隙ALOHA。

为了使接收候选节点能够识别发送查询消息的那个节点，可以将显式地址追加到该消息或局部唯一字(用于供接收器相关)。

查询阶段可以采用不同的方法，其中第一示范方法所基于的观点是，每个发送站或节点以发射功率P_i发送查询消息。接收节点RX_i，j就可以识别发送该查询消息的节点以及在什么功率电平上接收到它。

在第二示范查询阶段方法中，发送器地址被包含在查询消息中。来自不同发送节点的查询消息随后以使它们最好(局部)没有冲突的方式发送，例如通过适合的无冲突协议的支持。此外，每个消息载送用于随后的数据传输的发射功率电平P_i的信息。基于此信息，类似于第一查询阶段方法，接收节点RX_i，j可以识别发送该查询消息的那个节点以及期望使用什么功率电平来接收随后的数据包。如果需要的话，方法二的查询消息还可以包含所希望的接收器节点或站的信息。

注意第二方法中的查询消息可以在与数据消息的功率电平不同(通常较高)的功率电平上发送，前提是在查询消息中包含适当的偏移指示或预先以隐含方式知道该偏移。这提供了查询消息阶段的SNR改进，以及还提供了更大的灵活性。

在下文中，我们将着重描述第二方法，因为它具有更大的灵活性。

在响应阶段，每个节点发送响应消息，最好包含SNR/SINR信息。在另一个实施例中，每个候选节点确定可用于接收的那个速率(因为信道频率选择性可以容易地结合于决策中)，并且然后替代地以速率作为响应。该速率可以是显式值或用于调制(QSPK、8PSK、16QAM、...)和前向纠错码(卷积编码、Turbo编码、...)以及编码速率的某种组合的隐式码。在再一个替代实施例中，返回信道估算值以使在发送方能更有效地选择速率或链路模式。对于频分方案，如正交频分多址(OFDMA)，可以返回频率相关的SNR/SINR表示，以便有效地为用户选择子载波(频率信道)或子载波集合。

下文中，为简明起见，我们假设报告SNR/SINR。报告SNR/SINR的精确方式取决于接收器上所用的检测器的类型。在前一种情况中，采用单用户检测，而后一种情况采用多用户检测(MUD)。如果接收器一方采用单用户检测方法，则将确定的SNR/SINR连同该SNR/SINR所属的地址一起发送。如果采用MUD接收器，则可以载送与发送器相关联的SNR/SINR值的矢量。然后将SNR/SINR定义为接收功率电平与噪声和所涉及信号的所有较弱干扰信号的功率的和之比(参见附录)。对于单用户检测器的情况，SNR/SINR定义为最强接收信号与干扰信号功率和噪声的和之比。替代地，不是指明SNR/SINR电平，则自然可以指明显式功率电平，连同指明噪声电平。最好通过适合的无冲突协议发送响应，以避免局部冲突。

基于响应中的例如SNR/SINR电平或返回的速率信息，每个发送器现在在联合过程中执行两个或最好三个决策(如果采用MUD接收器，则决策过程中也要将此纳入考虑)：

-选择目的地/流，并据此选择队列中待发送的那个包或更一般地选择队列中待发送的那个信息集合，

-选择将接收包并转发(除非是目的站)它的那个中继节点，以及

-可选地确定那些除预定发射功率电平的其他要使用的链路参数。最好，其他链路参数包括链路模式参数，如数据信号星座和前向纠错编码，但是也可以包括例如频率信道参数。如果无法选择其他链路参数，则仅执行前两个步骤。

为了速率或链路调整，假定信道互易的假设成立，发送器还可包括更确切的信道状态知识，其在当接收到响应消息时在响应消息中或信道估算中返回。

在数据阶段，利用指定的链路和发送参数将所选包发送到确定的中继节点。

在确认阶段，接收节点以指示包是否被正确接收的确认响应。

上文中，假定在至少一个时隙上的半静态(semi-stationary)条件以及相对测量的相当高的精确度和发射功率设置。

应该注意的是，对于查询方法二，可以在查询阶段发送多个连续的查询包。同样地，可以在响应阶段发送多个响应消息，以及在确认阶段发送多个确认。

图3A-B概述根据本发明实施例分别在发送器一方和接收器一方上的示范转发方法的原理。下文将从发送方开始简要概述这些原理。

在步骤S1初始确定一个或多个适合的发送参数，如发射功率和/或天线加权值。在步骤S2，发送查询消息，通常以广播或组播方式发送。在步骤S3，从一个或多个潜在的中继节点接收相应的响应消息，包括例如SNR/SINR或速率信息。在步骤S4，执行联合选择过程，以确定要传输的那些数据以及中继节点和链路参数。在步骤S5，利用初始确定的发送参数和所选链路参数将发往所选目的地的或属于所选流的数据包首部发送到所选中继节点。在步骤S6，接收确认。在步骤S7，可以执行可能的ARQ操作。

在接收方，在步骤S11接收查询消息。在步骤S12，响应接收的查询消息，确定SNR/SINR值、支持的速率或其他适合的参数。在步骤S13，将该SNR/SINR或速率在响应消息中报告给发送节点。如果发送节点选择了中继节点，则在步骤S14接收数据包。在步骤S15，向发送节点发送指示已正确接收该包的确认。在步骤S16对接收方执行可能的ARQ操作。

因为ARQ(自动重复请求)方案可以从一系列ARQ方案中选择，所以不描述ARQ的具体细节。其基本功能是确保在接收到肯定的确认之前重复发送包(但是，可以采用重发次数上限)，然后可选地从发送缓冲器中删除该包。ARQ功能可以照惯例对发送方以及接收方起作用。

当然，本发明可以采用除发射功率的其他发送参数，如天线加权值。还有，应该理解速率或链路调整是可选的、但常常是优选的特征。

除了在多个中继节点中的机会性选择(与[8]中提出的SDF相似)外，本发明给出至少两个另外的主要益处。

第一个是可以在发送缓冲器中现存的多个包(以及相应的流/目的地)中进行选择。这种增加自由度的主要原因在于不同的包(或更一般来说不同的数据集合)可以从发送节点沿不同的方向传送，由此使能在若干大致的转发方向上选择中继节点。

通过图4A-B关于简单的基于地理的转发进度度量，其好处显而易见，其中图4A示出[8]中提出的SDF方法，而图4B示出根据本发明示范实施例的方法。

在图4A的现有技术中，发送队列中第一包PCK X是要发送的包。此包属于给定流，并发往给定目的地节点，给定目的地节点然后确定包PCK X的大致转发方向。发送节点在多个潜在中继节点中进行选择，其中这些潜在中继节点提供该大致方向上的转发进度。发送节点通常将包发送到转发进度最大的中继节点，这里只是意味着将包沿着包的目的地节点的方向传送最长的投影距离。

在本发明中，在考虑中的发送节点的发送队列110中呈示的包的所有目的地/流方向上选择中继节点是可能的。例如，发送队列可以是基于包(1)的，不同的包准备用于发送。备选地，该发送队列包括许多缓冲器(2)，每个缓冲器保存给定目的地或流的数据。在第二种方式中，一旦选择了适合的链路模式方案，则稍后将来自不同缓冲器的数据封装成包形式。发送节点100维护该节点中目前呈示的目的地/流构成的列表，以此允许在不同的目的地/流中进行选择。这实际允许选择若干大致转发方向上的中继节点。从图4B可以看出包PCK Y以与包PCK X完全不同的方向发往目的地。在该方向上，有给出绝对最大转发进度的中继节点200，它靠近发送节点100的发送范围。因此从转发进度的角度而言，发送包PCK Y显然好于发送PCK X。

此外，还可能将例如QoS(服务质量)方面纳入考虑，因为例如不同的流可以具有不同的QoS要求以及目的地和/或流之间的公平度。目的地和/或流的选择最终转换成从发送队列选择数据。因此基于视为成功的传输来以机会性方式确定要发送的最优包是可能的。

本发明的第二个主要益处在于，可以结合选择要发送哪个包和要使用哪个中继节点来优化链路性能。

为了能够以明确的方式来讨论最优性，希望引入目标函数f。一般来说，目标函数f经过仔细选择，并设计为依赖于a)表征(无线/无线电)多跳网络的某些给定输入参数以及b)可以经过仔细选择来优化目标函数f的某些变量。

在该具体实例中，多跳网络的特征在于，每个中继节点具有至少一个朝向至少一个目的地的关联成本。还可以将其他信息结合到目标函数中，如局部负载、排队状态、服务质量(QoS)要求或剩余电池。

优化变量包括至少中继节点和流和/或目的地。如果对于某个(些)目的地支持多个流，则选择可以是流和目的地的组合。如果目的地而不是流被用作优化变量，则选择结果包括所选目的地，但是，可以有若干至所选目的地的流，并且因此关于要选择哪个流仍是未决问题。当然，可以例如基于QoS要求或甚至是随机地在这些流中执行另外的、单独的选择。但是，利用流作为优化变量，可以将QoS方面直接集成到联合优化方法中，从而同时从目的地方向的角度和QoS的角度选择最优的流。

此外，如果需要的话可以包含速率来作为变量。通过任何适当的调制、编码和扩展方案组合来确定速率。再者，假定选择了最优速率，对于发送节点就可以在链路SNR/SINR超过所选最优速率所需要的值的情况下(仅)降低它的发射功率。对于链路参数，我们一般调用诸如调制、编码和扩展方案、发射功率、天线加权值和频率信道参数等的参数。因此术语“链路参数”包括数据链路层上的DLC(数据链路控制)参数以及底层的物理PHY层参数。DLC参数包括LLC(逻辑链路控制)参数和MAC(介质访问控制)参数，并因此链路参数可以从LLC、MAC和PHY参数中选择。

来自目标函数的输出包括所选中继节点和所选目的地或至目的地的流。目的地或流的选择影响发送的那个信息。此外，目标函数的优化还可以提供适当的调制、编码和扩展方案的组合，即速率选择，以及提供适当的要使用的子载波或频率信道的集合。作为速率选择的结果，发射功率的降低是又一且另外的输出。

当使优化形式化时，就中继节点、流和链路参数而言，可以采用如下符号：

V表示网络(或网络的被考虑部分)中所有节点的集合。

J_i是候选中继节点的集合，即，响应于节点v_i：s探测的节点，v_i∈V。

Φ_i是节点v_i，v_i∈V中的流的集合。

Ψ表示一个或多个链路参数并且因此关于链路参数可以是多维的，每个可变参数同样地具有定义空间，其中它可以采用连续值或离散值。链路参数可以取决于发送器节点v_i，v_i∈V和接收器节点v_j，v_j∈V，则Ψ表示为Ψ_i，j。

然后优化目标函数f用于代表节点v_i转发，利用来自上述集合J_i、Φ_i和Ψ的输入参数以联合确定中继节点

流以及链路参数的最优组合：

$\tilde{J},\widetilde{\mathrm{\Φ}},\widetilde{\mathrm{\Ψ}}=\underset{J_i,{\mathrm{\Φ}}_i,\mathrm{\Ψ}}{\arg }\left\{\underset{J_i,{\mathrm{\Φ}}_i,\mathrm{\Ψ}}{\mathrm{opt}}\left\{f\right\}\right\}$

其中

定义所精选的中继节点：

$\tilde{J}=\underset{J_i}{\arg }\left\{\underset{J_i,{\mathrm{\Φ}}_i,\mathrm{\Ψ}}{\mathrm{opt}}\left\{f\right\}\right\}$

定义所精选的流：

$\widetilde{\mathrm{\Φ}}=\underset{{\mathrm{\Φ}}_i}{\arg }\left\{\underset{J_i,{\mathrm{\Φ}}_i,\mathrm{\Ψ}}{\mathrm{opt}}\left\{f\right\}\right\}$

定义对于节点v_i的链路参数值的集合，且可以包括传输和/或接收参数：

$\widetilde{\mathrm{\Ψ}}=\underset{{\mathrm{\Ψ}}_i}{\arg }\left\{\underset{J_i,{\mathrm{\Φ}}_i,\mathrm{\Ψ}}{\mathrm{opt}}\left\{f\right\}\right\}$

质量成本进度

特殊目标函数的一个实例是质量成本进度(Z^QCP)。对于流

节点v_i和节点v_j之间的质量成本进度(QCP)定义为：

其中：

 是对于流

从节点v_i，v_i∈V到目的地的成本。每个流与目的地相关联。

Q_ij 是节点v_i和节点v_j之间链路的质量(例如信号干扰和噪声比)。

是对于流

和节点v_i，v_i∈V的加权参数。

这些加权参数可以是至少固定的优先次序加权值、自适应优先次序加权值、与QoS相关的参数(如到期时间、等待时间等)、公平度标准等的任何组合。当考虑流作为优化变量时，某种程度上将QoS参数结合在优化中可以更加自然和直接，因为每个流通常与给定的QoS要求相关联。

这使我们可以基于QCP将目标函数的优化(这里假定是最大化)书写为：

这样得到中继节点、流和一个或多个链路参数的组合。注意如果

为负值，则不执行转发。

另一示范目标函数是基于信息成本进度(Z^ICP)。可以采用如下符号表示：

Γ_ij是该实例中的信号与噪声干扰比(SINR)。SINR则可以是瞬时SINR或平均SINR。例如，可以通过如下步骤确定SINR：设所有中继站打算发送，发送(组播/广播)查询消息以使瞬时SNR能被测量。

R_ij是由SINR Γ_ij给出的节点v_i与节点v_j之间的可达到速率的集合。这些速率通过组合调制、编码和扩展方案来构成。

对于采用速率r_ij的流

节点v_i和节点v_j之间的信息成本进度(ICP)定义为：

这使我们可以基于ICP将目标函数的优化(这里假定是最大化)书写为：

这样得到中继节点、流和所选速率的组合。注意如果

为负值，则不执行转发。

当以某种形式使用成本进度时，可以通过例如利用能量、延迟或跳步度量的独立路由确定协议(如任何众所周知的最短路径协议(如Bellman Ford))或更加针对于分集转发定制的路由确定协议来提供成本信息。

路由确定协议或备选地另一种拓扑控制协议可以提供发射功率的基本设置。

此外，可以将其他选择标准用于确定要发送哪个包。如前面提到的，重要的选择标准可以是QoS，即对于带有某些关于例如延迟或带宽的输送要求的包给出优先级。因此，成本进度度量可以与一些QoS参数组合，诸如作为扩充QoS度量的延迟或到期时间数据。再者，当然重要的是，对网络中各个源设置某种公平度，以避免资源缺乏、信道捕获等。

显然，采用流作为优化变量隐式地导致目的地方向的选择，因为每个流都有唯一的目的地。备选地，可以直接利用目的地作为优化变量以便考虑方向，下文将对此举例说明。

以下给出信息成本进度函数的一个具体实例，定义其为速率乘以差分成本进度(假定从目的地起成本增加，则从发送节点i到接收节点j，成本降低)：

$Z_{\mathrm{ij}}^{\left(D\right)}=f(C_i^{\left(D\right)},C_j^{\left(D\right)})\·r_{\mathrm{ij}}({\mathrm{SNR}}_{\mathrm{ij}}/{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{ij}}),$

其中，

是发往目的地D的方向上的包的信息成本进度，且i是发送节点而j是被查询的节点。再者，r_ij(SNR_ij/SINR_ij)是对于节点i与节点j之间给定的SNR/SINR的节点i与节点j之间支持的速率。该函数可以例如在中继节点、目的地节点和速率方面联合优化。至目的地节点D的成本和目标函数f可以反映多种因素的任何一种。例如，成本和目标函数可以反映地理距离上的转发进度，但是也可以采用其他成本进度测量。地理距离上的转发进度可以例如基于位置信息如GPS(全球定位系统)信息来确定或基于路径损耗计算来估算。

信息成本进度测量值在节点接收到一个或多个具有期望SNR/SINR值的响应消息之后但在发送随后的数据消息之前确定。实际上，这通常意味着发送器经过缓冲器并确定每个包的成本进度。因为若干包可以具有相同的目的地，所以确定最重要的“相同目的地”包的测量值就足够，但是对于缓冲器中呈示的所有目的地或流仍要这样做。

在参考文献[12]中，最优传输范围和码率，其中通过所说的信息效率转发进度性能测量在高度加载的跳频包无线电网络中进行调查。这里不同的是，我们不采用信息效率转发进度作为性能测量值，而是作为要优化的目标函数。因为查询—响应阶段和在多个中继候选节点中进行选择的原因，所以这是可能的。基于信息转发进度的目标函数，其道理是包的“对地速度(speed over ground)”或相当于速率乘以往目的地所遍历的距离应该尽可能地高。下文定义的信息转发进度的表达式就评估目的是有用的并且说明存在最大值。注意，下文中度量的分析并没有遵照参考文献[12]。例如，假定沿着希望路由选择方向上的线路设置无限数量的中继节点，并在搜索发送到达的最优节点以及所该使用的速率。那么要使用的好的测量是通过香农信道容量公式乘以跳步距离给出的信息转发进度Z：

$Z=R\·B\·{\lg }_2(1+\frac{P\·\mathrm{Const}}{R^{\mathrm{\α}}\·N}),$

其中P是发射功率，N是噪声功率，α是传播常数(通常在2-4之间并且2用于自由空间传播)，Const是传播常数，B是带宽而R是发送器和接收器之间的距离。

假定B＝20MHz，N＝k·T·B·NF(其中NF＝10dB，T＝273+25K，k＝1.38e-23)，α＝2.6，不同发射功率电平的最优值在图5中很明显。然而最大转发进度本身无法以闭合形式表达。但是，最优距离R_Opt可以得到信道效率的上界如下：

$\frac{r}{B}\≤\frac{\mathrm{\α}}{\ln \left(2\right)}\≈1.4\·\mathrm{\α}$

这说明一般无需大的信号星座，即对于α＝2，3bps/Hz的信号星座将足够了。即使是基于距离和信息以成本度量为例来说明链路优化的，也可以采用满足类似目标标准的其他度量。

当可以采用链路调整时，通信时节点将会行使分割、装配和可能还有复用/去复用的功能。

现在将说明提出的发明还利于在(瑞利)衰落的环境中应用。为简化分析，可以假定发送节点具有大量的同心圆，潜在的接收节点可以放在那儿。可以利用如下关系来估算最优信息转发进度：

$Z(R,M)={\∫}_0^{\∞}p(\mathrm{\β},{\mathrm{\γ}}_0,M)\·Z(\mathrm{\β},{\mathrm{\γ}}_0,R)\mathrm{d\β},$

其中

Z(β，γ₀，R)＝R·B·lg₂(1+β·γ₀)

是信息转发进度以及

$p(\mathrm{\β},{\mathrm{\γ}}_0,M)=\frac{M}{{\mathrm{\γ}}_0}\·e^{-\mathrm{\β}}\·{(1-e^{-\mathrm{\β}})}^{M-1}$

是M阶分集的选择分集的pdf(功率密度函数)以及

${\mathrm{\γ}}_0\left(R\right)=\frac{P\·\mathrm{Const}}{R^{\mathrm{\α}}\·N}$

是与距离R成函数关系的平均SNR/SINR，以及

M＝Const·R²

是在距离R的同心圆上的节点的平均数量。这意味着对于大距离分集阶数急剧增加，但是也依赖于参数Const中反映的节点密度。

对于与上相同的参数即P＝1W以及若干Const值，通过数值计算给出图6中的曲线。注意，在实际中，对比采用数学方式定义的SNR/SINR的pdf即对于高SNR/SINR值具有非常长的非零值的尾部的情况，分集阶数将是有限的。总之显然分集增加了信息转发进度。

优化

当发送大量控制消息时，将开销和能耗保持尽可能小是至关重要的。这可以通过利用隐式信令将包中的信息量降至最小来实现。例如，不采用候选节点的完整地址，可以采用局部(且唯一)分配的地址(例如在路由确定协议控制下)。因为这些地址是局部的，所以采用短地址将足够了。另一种方法是仅向具有正成本进度或特定范围或区间内的成本进度(如超过正阈值)的那些候选节点发送。由此，地址字段被替换为较短的成本要求字段。还可以通过指示它们是与发送节点某种程度相邻的邻节点(集合)来对候选节点隐式寻址。例如，在包中对候选节点显式寻址，并通过在包中指示一个或多个其他适合的中继候选节点是显式寻址的候选节点的邻节点来对其隐式寻址。这需要执行一种协议来建立相邻关系，例如路由确定协议中所结合的功能，如因特网中众所周知的(Hello消息)。这意味着开销不一定会像最初假定的那么大。

还应该注意的是t₁之前的步骤，即什么触发节点发送通常依赖于与所采用的信道或介质访问方法。例如，可以采用时隙ALOHA、CSMA(载波监听多址)或甚至发送时机经过调度的方案(像在STDMA中)。

本发明使节点簇能够一起协调操作例如通过分集来提高通信保真度。另一个选择是，通过接收和发送控制消息来分配预定站执行控制功能。

排队规则是重要的，因为它们是公平地共享网络资源和向性能关键的应用提供性能保证的关键所在。一般来说，在针对尽力而为应用(即无QoS要求的应用)开发的排队规则与针对保证业务的应用(即有QoS要求的应用)开发的排队规则之间要有不同。对于尽力而为的连接，最重要的目的是以公平的方式共享资源，而针对此业务类型开发的排队算法的实例有：1)加权循环(Weighted RoundRobin)；2)差额循环(Deficit Round Robin)；以及3)加权公平排队(Weighted Fair Queuing)，它们均尝试仿真通用处理器共享(Generalised Processor Sharing)算法。自然，对于保证业务的应用，最重要的目的是要提供性能保证，而实现此任务的排队规则的实例有：1)加权公平排队(Weighted Fair Queuing)；2)虚时钟(VirtualClock)；以及3)最早到期日期(Earliest Due Date)。

实施方面

图7以示意框图说明根据本发明示范实施例的发送器一方上的相关部件。图7的发送节点100基本包括通用控制器105、发送缓冲器110、查询/探测单元120、封装单元130、编码器和调制单元140、与天线或天线系统连接的常规传输链150、发送参数控制器160、常规接收器链170、解调和解码器单元180、用于执行联合决策过程来选择数据、中继节点和可选链路模式的单元190、接收缓冲器192和用于提供多跳成本信息的单元194。

在第一轮(1)中，将查询探测信号传递到封装单元130以进行封装和(显式和/或隐式)寻址。从寻址的角度来说，发送节点通常采用广播或组播将该查询消息传送到多跳网络中的所选中继候选节点。这些中继候选节点可以例如由通用控制器105基于从底层路由确定协议获得的多跳成本信息、可能连同附加信息来选择。封装的查询探测信号被传递到编码器和调制单元140以编码142和调制144，然后再传递到传输链150以向中继候选节点传输。用于传输的发射功率电平和/或天线加权值由发送参数控制器160给出。

在第二轮(2)中，发送节点100通过接收器链170和用于解调182和解码184的单元180从多个中继候选节点接收响应消息。然后将这些响应消息传递到决策单元190，然后其在联合决策过程中选择数据、中继节点和可选地还有链路模式用于传输。最好，决策单元190基于例如成本进度执行联合优化，如上文详细描述的。在决策/优化过程中，决策单元190通常利用响应消息中报告的链路性能信息如SNR/SINR、关于节点中呈示的那些目的地/流的信息以及来自底层路由确定协议如Bellman-Ford或类似协议的多跳成本信息。在发送节点100中，最好在与决策单元190连接的多跳成本信息单元194中收集和/或生成此类成本信息。例如通过调查发送队列或通过维护目前存在于节点中的目的地/流构成的独立列表可以检索关于可供选择的目的地和/或流的信息。

然后将所选数据从发送队列110传递到封装单元130，由封装单元130将数据封装并设定地址到所选中继节点。然后将封装的包信息传递到编码器和调制单元140，在将包信息传送到所选中继节点之前，编码器和调制单元140根据所选链路模式执行编码和调制。

在第三轮(3)中，作为可选方式，可以利用从所选中继节点接收的数据确认以从发送队列110中删除相应的数据。

单独控制和信息单元，如发送参数控制器160、联合决策过程单元190和多跳成本信息单元194可以与通用控制器105协作或甚至集成到通用控制器105中，通用控制器105本身还可以包括附加控制功能。

图8以示意框图说明根据本发明示范实施例的接收器一方上的相关部件。图8的中继候选节点基本包括与天线或天线系统连接的常规接收器链210、链路性能估算器220、用于解调和解码的单元230、接收缓冲器240、确认单元250、发送节点识别单元260、封装单元270、编码器和调制单元280，与天线或天线系统连接的常规传输链290以及发送队列295。

中继候选节点通过接收器链210从多跳网络中的一个或多个发送节点接收查询消息。对于组播，中继候选节点包括用于通过在接收到的查询消息中调查显式和/或隐式寻址信息来判断查询消息是否发往中继节点的功能(未示出)。下文中，我们将考虑查询消息确实发往该中继候选节点的情况。

在轮(1A)中，链路性能估算器220估算链路性能测量值如SNR/SINR(或备选地将SNR/SINR值变为支持的速率)，以包含在响应消息中回传到查询节点。估算值被传递到封装单元270，以进行封装和寻址。然后通过利用用于编码282和调制284的单元280以及传输链290将封装的响应信息传送到查询发送节点。

如果发送器地址被包括在查询消息中，则在轮(1B)中还通过用于解调232和解码234的单元230将该消息传递到接收缓冲器240。发送节点识别单元260调查接收到的查询消息，并提取发送器地址以便传递到封装单元270。然后封装单元270可以利用该发送器地址，这样响应消息到达查询发送节点。

如果查询发送节点选择了中继候选节点200，则该中继节点通常通过接收器链210从发送节点接收包信号。在第二轮(2)中，接收到的包信号然后被解调和解码成包数据，该包数据被传递到接收缓冲器240。确认单元250可以然后发布数据确认(ACK)以传输到相应的发送节点。

随后可以将接收缓冲器240中的包数据传递到发送队列295，以便在稍后继续向多跳网络中的中继候选节点传输。

应该注意的是，接收器可以例如在接收缓冲器超过给定存储阈值时执行拥塞控制。这可以在接收查询消息时通过不响应或通过在响应中包括接收器无法接收的指示来实现。

分布式选择过程

如先前提到的，应该理解的是，可以将该联合选择过程分布到负责一个或多个发送节点的关联控制节点上。

图9说明负责一个或多个发送节点的选择过程的控制节点的信息流。控制节点300通常响应例如从底层路由确定协议获得的多跳成本信息、关于各个发送节点中呈示的那些目的地/流的信息、以及如通过响应消息报告的链路性能信息。这意味着中继候选节点可以将它们的响应消息发送到控制节点300。控制节点300可以然后执行联合决策过程来为与控制节点关联的每个发送节点选择目的地/流、中继节点以及可选链路参数的组合。最后，该控制节点(可以或多或少起中心的作用)将关于所选目的地/流、中继节点和可选链路参数的信息传递到其各个关联的节点。

MDF和MUD

如上所述，MDF可以经过组合并且适于处理采用多用户检测器(MUD)的接收器的情况，即可以同时解码多个信号。在本发明关于MUD和MDF的一个示范实施例中，在整个网络上采用单个固定的数据速率(或上限速率)，并假定所有节点都知道。假定多个中继候选节点的每一个能够从多个发送节点接收和解码查询消息。接收多个查询消息的每个节点通常确定可以被解码的那些发送节点，并一般确定每个链路的链路性能信息如SNR/SINR或速率信息。在实践可行的实施方式中，每个接收节点确定表示多个接收到的查询消息的所说SNR/SINR矢量，并且然后基于SNR/SINR选择应将响应消息发送到达的那个或那些查询节点，通常只选择具有高性能链路的节点。接收响应消息的节点评估该消息连同来自其他候选节点的其他可能的响应消息，并检查它可以发送到达的那个中继节点以及最适合发送的那个数据包。在选择了数据包之后，发送节点发送包并等待响应中的确认。作为对上述组合MDF和MUD方案的扩充，发送节点确定包括希望的传送速率的链路参数并在查询消息中载送该速率信息。接收多个查询消息的节点可以然后在确定可行发送器的过程中将速率信息纳入考虑。

MDF和其他技术

如果采用正交频分多址(OFDMA)，则本发明还可以执行机会性选择以在多个子载波中选择要使用的那个子载波(频率信道)或那个子载波(频率信道)的集合，即在单个OFDM符号上将数据复用到多个用户。在此情况中，通知中继节点关于正确解码的选择。复用结构可以例如在数据包的首部中指示。还有，注意通过利用频谱的不同部分可以把多个目的地和/或流定为目标，然后联合选择将此纳入考虑。

还有，如果(允许)在提出的MDF消息上添加或附带额外的控制消息，本发明可以与[8]中概述的标准SDF组合。在此情况中，在响应阶段之后，选择SDF作用于的候选节点集合。

本发明提出的新颖转发方案还可以与聚束组合。在MDF中，当准备传输时，中继站可以结合聚束方面。这样做时，除了选择功率电平和波束方向外，还可以选择波束参数以确保可能遇到足够和适当数量的潜在中继节点或站。这意味着天线增益和天线波束宽度之间存在相互影响。天线发射参数的特定选择可以是随机的，但是最好反映拓扑以及结合QoS方面。注意相同的发射参数应用于查询消息以及数据消息的传输。备选地，在选择至用户的单个流时，MDF还可以用于MIMO(多输入多输出)通信的情况中。

关于MDF与现有技术之间差异的一般讨论

为补充该事实即现有技术都不允许多个目的地/流中之一的目的地/流、多个中继候选节点中之一的中继节点以及可选的链路参数的组合的联合选择，下文将概述一些另外的差异：

MDF与HSDPA/HDR/机会性聚束之间的差异

·HSDPA、HDR和机会性聚束(OB)是针对蜂窝网络的，而MDF目标是：

。多跳网络且具有，

。分布式多址协议，以及具有

。潜在的多个移动台。

·HSDPA、HDR和OB必须直接向它的目的地移动台(MS)发送任何包，而MDF可以在多个中继节点中选择(这在HSDPA、HDR或OB中没有任何意义而且是根本不可能的)。这意味着在选择接收节点时MDF可以提供更高的分集度以及附加的自由度。还可以利用更大的灵活性(通过附加的自由度暗示)以在更大的程度上实现和增强QoS，相对而言HSDPA等提供的选择较为有限。

·HSDPA和HDR通常在基站之间不存在协调且控制周期较MDF的控制周期慢，这意味着实际的SNR/SINR状况从报告直到发送数据可以发生变化。在MDF中，三/四阶段的协议确保由查询响应阶段报告的SNR/SINR在整个数据阶段上保持不变(或有所改善)。MDF中的SNR/SINR可以在例如某个站决定不发送的情况下得到改善，而不会恶化。

·对于活动的HSDPA用户，HSDPA和HDR采用连续的上行链路来报告SNR/SINR信息，而MDF的查询—响应阶段允许向有限的候选站集合基于瞬时查询它们各自的瞬时SNR/SINR。HSDPA甚至可以有多至数百个站连续以信号通知它们经历的SNR/SINR。

注意：当OB尚未在实践中实现且未详细讨论协议方面时，不知道OB将如何表现。但是，已经表明无需对MS(可能意味着CDMA)做更改。这意味着OB的表现可能与HDR相似。

MDF与适时路由选择之间的差异

·适时路由选择一般采用监听装置，它在缓慢时标上作用(这意味着它是后台活动)并且更新中继站的路由选择数据库。相比之下，MDF在整个查询—响应阶段采用快速调整来执行快速局部转发决策。

·适时路由选择不支持并行传输，即向至少两个相邻的站发送包(例如控制或数据)，而MDF可以利用向多个相邻的站发送控制包(查询和响应包)的可能性。

·适时路由选择不进行广播/组播查询消息和/或数据。

MDF与SDF之间的差异

与如[8]中概述的标准SDF(它是提出的发明的最近相关物)相比，倘若信道在三/四阶段的交换期间固定且功率电平的测量和调整是精确的，提出的发明保证总是执行得比标准SDF好(已表明标准SDF本身优于传统的最短路径路由选择方案)。

·提出的发明之所以执行得更好是因为，相对于标准SDF即某个数据速率上的单个包在有限的中继集合中选择，本发明允许为多个包在更多的中继中选择，同时以自适应方式优化链路参数来达到最优通信。即使稍有功率的测量和调整误差，预计性能仍将较优。在发射功率低时MDF相对于SDF的有关益处将非常突出。这是因为在大的通信范围上，即使转发“方向”受约束的SDF仍可能在通信范围附近且正确的“方向”上找到多个节点。

·另一个差异是“标准SDF”(主要地)执行追溯(retroactive)决策，而本发明这里在数据传输之前执行决策。然而，在参考文献[8]中，还提出基于组播RTS和单播CTS的SDF替代实施例。这类似于IEEE802.11DCF：捕获底值(floor)、但是用组播RTS得以增强以及将多跳路由选择作为目标。即使以相同次序执行决策，它仍缺乏在多个包中的选择以及建议的机会性链路调整。

换言之，SDF侧重于选择中继节点以及执行一次一个包的转发，而MDF可以机会性地从多个包中选择。此外，在SDF的主要实施例中，部署的是追溯转发决策(在发送数据包之后)的观点。另一方面，MDF确切地确定要发送哪个包(基于查询—响应过程)。

总之，一般采用多用户分集效应是好的特征。此外，可以通过明智的包选择来选择中继方向(中继节点)，以及还采用衰落信道并从其中受益。注意，无论是希望的信号的衰落峰值，还是来自干扰和非所需信号源的衰落最小值都体现SNR/SINR方面的益处。此外，本方案允许针对瞬时SNR/SINR状况定义和优化度量，以及其结构允许实现吞吐量的最大化和延迟的最小化。此类度量的一个专门实例是联合测量发送的信息量连同往目的地源的进度。

根据上文，应该认识到，本发明可以结合或利用其他方面。例如，可以采用其他MAC协议，如Seedex[13]。还可以部署各种路由确定协议和成本度量。本发明还可以与拥塞控制机制组合，例如通过以自适应方式改变发送概率。本发明还可以在时隙中接连发送多个包，只要该时隙中有空间，以及传输符合本发明的给定规则(即在一个时隙内复用若干包)。

上述实施例仅以实例的形式给出，并且应该理解本发明并不局限于此。保留在此公开且要求保护的基本的、基础的原理的其他那些修改、更改和改进均属于本发明范围。

附录

SNR MUD足义

为了定义MUD解码器的SNR，根据功率电平对接收到的信号排序：

P₁≤P₂≤P₃…P_N

然后根据接收功率的排序列表构造发送节点的身份列表。对于该列表中的每一项，具有根据如下公式定义的关联SNR_k：

${\mathrm{SNR}}_k=\frac{P_k}{N+\underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i},$

其中N是噪声功率，P_k是接收功率。

然后，发送器身份的列表和关联SNR例如由节点本身用来选择它应该响应哪个(些)发送节点，或者在响应消息中组播/广播。备选地，可以确定速率(或带有某种FEC和调制的通信模式)，并在响应消息中将其回传。这使详细的信道方面如频率选择性可以被纳入考虑。

参考文献

[1]“多址协议、性能和分析”(R.Rom，M.Sidi，＂Multiple AccessProtocols，Performance and Analysis＂，Springer-Verlag，New York，1990，ISBN-0-387-97253-6，pp.1-5)。

[2]“增强的内部网关路由选择协议”(＂Enhanced InteriorGateway Routing Protocol＂as printed April 7，2003 fromwww.cisco.com/warp/public/103/eigrp-toc.pdf)。

[3]“具有捕获的时隙ALOHA多跳包无线电网络的空间容量”(R.Nelson and L.Kleinrock，＂The spatial Capacity of a slotted ALOHAmultihop packet radio network with capture＂，in Trans.On Com.，Jun84)。

[4]“DARPA包无线电网络协议”(J.Jubin and J.D.Tornow，＂The DARPA packet radio network protocols＂in IEEE Proceedings，Jan.87.pp.21-32)。

[5]“含有解码器一方信息的跳频包无线电的网络协议”(M.B.Pursely and H.B.Russel，＂Network protocols for frequency-hop packetradios with decoder side information＂，in IEEE J.Selected Areas ofCom.，12(4)1994，pp.155-174)。

[6]美国专利6，097,703。

[7]国际专利申请公开WO 98/56140。

[8]美国专利申请公开US 2002/0051425 A1。

[9]“UTRA(通用地面无线电接入)高速下行链路包接入(HSDPA)”(＂UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)High SpeedDownlink Packet Access(HSDPA)＂，3GPP，TS[25.308]，v.0.1.0，September，2001)。

[10]“CDMA 2000：高速率包数据空中接口规范”(TIA/EIAIS-856，＂CDMA 2000：High rate packet data air interface specification＂，Std.，Nov.2000)。

[11]“采用解谐天线的机会性聚束”(P.Viswanath，D.Tse andR.Laroia，＂Opportunistic Beamforming using Dumb Antennas＂，IEEETransactions on Information Theory，vol.48(6)，June，2002)。

[12]“跳频包无线电网络的最优传输范围和码率”(M.W.Subbarao and B.L.Hughes，＂Optimum Transmission Ranges and CodesRates for Frequency-Hop Packet Radio Networks＂in IEEE Transactionson communication，Vol.48，No.4，April 2000)。

[13]“SEEDEX：用于自组织网络的MAC协议”(R.Rozovskyand P.R.Kumar，＂SEEDEX：A MAC protocol for ad hoc networks＂，Proceedings of The ACM Symposium on Mobile Ad Hoc Networking &Computing，MobiHoc 2001，pp.67-75，Long Beach，Oct.4-6，2001)。

Claims (54)

1.一种用于在有多个节点的多跳网络中转发信息的方法，所述方法包括如下步骤：

-针对至少一个发送节点(100)联合选择：

i)在多个中继候选节点(200)中选择中继节点，以及

ii)如下至少其中之一：

a)在所述至少一个发送节点的发送队列(110)中呈示的多个目的地中选择目的地；以及

b)在所述至少一个发送节点的发送队列(110)中呈示的多个流中选择流；

-基于所选目的地和流的至少其中之一从所述至少一个发送节点的发送队列(110)选择信息集合；以及

-将所选信息集合传送到所选中继节点(200)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述联合选择的步骤还包括选择iii)至少一个链路参数，以及所述将所选信息集合传送到所选中继节点(200)的步骤基于所述选择的至少一个链路参数来执行。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述联合选择的步骤包括在所述多个中继节点和所述多个目的地中联合选择中继节点和目的地的组合的步骤，以及所述选择信息集合的步骤包括从所述发送队列(110)选择发往所选目的地的信息集合的步骤。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述联合选择的步骤包括在所述多个中继节点和所述多个流中联合选择中继节点和流的组合的步骤，以及所述选择信息集合的步骤包括从所述发送队列(110)选择属于所选流的信息集合的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述联合选择的步骤基于表示所述至少一个发送节点与所述多个中继候选节点的每一个之间链路性能的信息来执行。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述联合选择的步骤基于优化含信息成本进度的目标函数来执行。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述联合选择的步骤基于至少一个服务质量QoS参数来执行。

8.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

-所述至少一个发送节点(100)向所述网络中的所述多个中继候选节点发送查询消息；以及

-所述多个中继候选节点的每一个响应所述查询消息，对所述至少一个发送节点以响应消息来应答；

其中，所述联合选择的步骤至少部分基于来自所述多个中继候选节点的所述响应消息来执行。

9.如权利要求8所述的方法，还包括如下步骤：

-所述每一个中继候选节点基于接收到的查询消息确定所述至少一个发送节点(100)与所述中继候选节点之间的相应链路的链路性能表示信息；以及

-所述每一个中继候选节点对所述至少一个发送节点(100)以含有所述链路性能表示信息的响应消息来应答，

其中，所述联合选择的步骤至少部分基于来自所述多个中继候选节点的响应消息中所含的所述链路性能表示信息来执行。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，利用至少一个预定发送参数发送所述查询消息，以及随后利用与传输所述查询消息所用的相同的至少一个预定发送参数将所述选择的信息集合传送到所选中继节点。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，多个发送节点被操作用于查询消息的时间同步传输以及信息的时间同步传输。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述至少一个预定发送参数包括发射功率电平和天线加权值的至少其中之一。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述发送查询消息、以响应消息应答、联合选择和转发信息的这些步骤在时长比信道相干时间短的时间段内执行。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个发送节点(100)基于每个接收到的响应消息来确定所述至少一个发送节点与所述应答中继候选节点之间的相应链路的链路性能表示信息，以及所述联合选择的步骤基于所述链路性能表示信息来执行。

15.如权利要求8所述的方法，对于所述中继候选节点的至少其中之一，还包括如下步骤：

-从多个发送节点接收相应的查询消息；

-响应每个查询消息来确定相应的发送节点与所述中继候选节点之间链路的链路性能信息；以及

-对与链路性能相对高的链路相关联的至少一个发送节点以含有相应链路性能的相关信息的响应消息来应答。

16.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：所述选择的中继候选节点对所述至少一个发送节点以证实接收到所述选择的信息集合的确认来应答。

17.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个链路参数包括至少一个或多个表示调制和编码方案的频率信道参数。

18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多跳网络是包无线电网络。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述联合选择的步骤基于优化目标函数来执行，其中，所述目标函数依赖于表征所述多跳网络的给定输入参数以及能够经过选择来优化所述目标函数的优化变量，所述优化变量包括至少中继节点和流和/或目的地。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述联合选择的步骤至少部分基于来自底层路由确定协议的多跳成本信息。

21.一种用于在有多个节点的多跳网络中转发信息的系统，所述系统包括：

-用于针对至少一个发送节点(100)联合选择的装置(190)：

i)在多个中继候选节点(200)中选择中继节点；以及

ii)如下至少其中之一：

a)在所述至少一个发送节点的发送队列(110)中呈示的多个目的地中选择目的地；以及

b)在所述至少一个发送节点的发送队列(110)中呈示的多个流中选择流；

-用于基于所选目的地和流的至少其中之一从所述至少一个发送节点的发送队列(110)选择信息集合的装置(190)；

-用于将所选信息集合传送到所选中继节点(200)的装置(130、140、150)。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置用于还选择iii)至少一个链路参数，以及所述用于将所选信息集合传送到所选中继节点的装置基于所述选择的至少一个链路参数来执行。

23.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置用于在所述多个中继节点和所述多个目的地中联合选择中继节点和目的地的组合，以及所述用于选择信息集合的装置(190)配置用于从所述发送队列(110)选择发往所选目的地的信息集合。

24.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置用于在所述多个中继节点和所述多个流中联合选择中继节点和流的组合，以及所述用于选择信息集合的装置(190)配置用于从所述发送队列(110)选择属于所选流的信息集合。

25.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置为基于表示所述至少一个发送节点与所述多个中继候选节点的每一个之间链路性能的信息来操作。

26.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置用于优化含信息成本进度的目标函数。

27.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置为基于至少一个服务质量QoS参数来操作。

28.如权利要求21所述的系统，还包括：

-用于将查询消息从所述至少一个发送节点(100)传送到所述多个中继候选节点的装置(120、130、140、150)；以及

-设在所述每一个中继候选节点中用于响应所述查询消息对所述至少一个发送节点以响应消息来应答的装置；

其中，所述用于联合选择的装置(190)配置为至少部分基于来自所述多个中继候选节点的所述响应消息来操作。

29.如权利要求28所述的系统，还包括：

-设在所述每一个中继候选节点中用于基于接收到的查询消息确定所述至少一个发送节点与所述中继候选节点之间的相应链路的链路性能表示信息的装置(220)；以及

-设在所述每一个中继候选节点中用于对所述至少一个发送节点以含有所述链路性能表示信息的响应消息来应答的装置(270、280、290)，

其中，所述用于联合选择的装置(190)配置为至少部分基于来自所述多个中继候选节点的所述响应消息中所含的所述链路性能表示信息来操作。

30.如权利要求29所述的系统，其特征在于，所述用于发送查询消息的装置配置为利用至少一个预定发送参数来发送所述查询消息，以及所述用于发送所选信息集合的装置配置为利用与传输所述查询消息所用的相同的至少一个预定发送参数将所述信息集合传送到所选中继节点。

31.如权利要求30所述的系统，其特征在于，多个发送节点配置为进行操作以实现查询消息的时间同步传输以及信息的时间同步传输。

32.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述至少一个预定发送参数包括发射功率电平和天线加权值的至少其中之一。

33.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述至少一个发送节点和所述多个中继候选节点配置为进行操作以使得三个阶段即查询、响应和将所选信息集合传送到所选中继节点在时长比信道相干时间短的时间段内执行。

34.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述至少一个发送节点包括用于基于每个接收到的响应消息来确定所述至少一个发送节点与所述应答中继候选节点之间的相应链路的链路性能表示信息的装置，以及所述用于联合选择的装置配置为基于所述链路性能表示信息来操作。

35.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述至少一个发送节点还包括用于基于指示其与显式寻址的中继候选节点相邻来对所述多个中继候选节点的至少其中之一隐式寻址的装置。

36.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述中继候选节点的至少其中之一接收来自多个发送节点的查询消息，以及所述至少一个中继候选节点包括：

-用于响应每个查询消息来确定相应的发送节点与所述中继候选节点之间链路的链路性能信息的装置；以及

-用于对与链路性能相对高的链路相关联的至少一个发送节点以含有相应链路性能的相关信息的响应消息来应答的装置。

37.如权利要求21所述的系统，还包括用于从所选中继候选节点对所述至少一个发送节点以证实接收到所述选择的信息集合的确认来应答的装置(250)。

38.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述至少一个链路参数包括至少一个或多个表示调制和编码方案的频率信道参数。

39.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述多跳网络是包无线电网络。

40.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置用于优化目标函数，其中，所述目标函数依赖于表征所述多跳网络的给定输入参数以及能够经过选择来优化所述目标函数的优化变量，所述优化变量包括至少中继节点和流和/或目的地。

41.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置为至少部分基于来自底层路由确定协议的多跳成本信息来操作。

42.包无线电多跳网络中的通信节点(100)，所述通信节点包括：

-用于联合选择的装置(190)：

i)在多个中继候选节点(200)中选择中继节点；以及

ii)如下至少其中之一：

a)在所述通信节点的发送队列中呈示的多个目的地中选择目的地；以及

b)在所述通信节点的发送队列(110)中呈示的多个流中选择流；

-用于基于所选目的地和流的至少其中之一从所述通信节点的发送队列选择信息集合的装置(190)；

-用于将所选信息集合传送到所选中继节点(200)的装置(130、140、150)。

43.如权利要求42所述的通信节点，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置用于还选择iii)至少一个链路参数，以及所述用于将所选信息集合传送到所选中继节点的装置基于所述选择的至少一个链路参数来执行。

44.如权利要求42所述的通信节点，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置用于在所述多个中继节点和所述多个目的地中联合选择中继节点和目的地的组合，以及所述用于选择信息集合的装置(190)配置用于从所述发送队列(110)选择发往所选目的地的信息集合。

45.如权利要求42所述的通信节点，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置用于在所述多个中继节点和所述多个流中联合选择中继节点和流的组合，以及所述用于选择信息集合的装置(190)配置用于从所述发送队列选择属于所选流的信息集合。

46.如权利要求42所述的通信节点，其特征在于，所述用于联合选择的装置(190)配置为基于表示所述通信节点与所述多个中继候选节点的每一个之间链路性能的信息来操作。

47.如权利要求42所述的通信节点，还包括用于将查询消息从所述至少一个发送节点传送到所述多个中继候选节点的装置(120、130、140、150)，其中，所述用于联合选择的装置(190)配置为至少部分基于从所述多个中继候选节点接收的查询响应消息来操作。

48.如权利要求47所述的通信节点，其特征在于，还包括用于基于指示其与显式寻址的中继候选节点相邻来对所述多个中继候选节点的至少其中之一隐式寻址的装置。

49.如权利要求43所述的通信节点，其特征在于，所述至少一个链路参数包括表示调制和编码方案的参数。

50.如权利要求42所述的通信节点，其特征在于，所述用于联合选择的装置配置用于优化目标函数，其中，所述目标函数依赖于表征所述多跳网络的给定输入参数以及能够经过选择来优化所述目标函数的优化变量，所述优化变量包括至少中继节点和流和/或目的地。

51.如权利要求42所述的通信节点，其特征在于，所述用于联合选择的装置配置为至少部分基于来自底层路由确定协议的多跳成本信息来操作。

52.包无线电多跳网络中的控制节点(300)，所述控制节点包括：

-用于针对所述多跳网络中的至少一个发送节点联合选择的装置(310)：

i)在多个中继候选节点中选择中继节点；以及

ii)如下至少其中之一：

a)在所述至少一个发送节点中呈示的多个目的地中选择目的地；以及

b)在所述至少一个发送节点的发送队列(110)中呈示的多个流中选择流；

-用于将有关所选目的地和/或流和中继节点的信息传送到所述至少一个发送节点从而使能将发往所选目的地节点和/或属于所选流的数据从所述至少一个发送节点转发到所选中继节点的装置。

53.如权利要求52所述的控制节点，其特征在于，所述用于联合选择的装置配置用于优化目标函数，其中，所述目标函数依赖于表征所述多跳网络的给定输入参数以及能够经过选择来优化所述目标函数的优化变量，所述优化变量包括至少中继节点和流和/或目的地。

54.如权利要求52所述的控制节点，其特征在于，所述用于联合选择的装置配置为至少部分基于来自底层路由确定协议的多跳成本信息来操作。

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